WO2009056205A1 - Configuration of a laser scanning microscope for raster image correlation spectroscopy measurement and method for conducting and evaluating such a measurement - Google Patents

Configuration of a laser scanning microscope for raster image correlation spectroscopy measurement and method for conducting and evaluating such a measurement Download PDF

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WO2009056205A1
WO2009056205A1 PCT/EP2008/008271 EP2008008271W WO2009056205A1 WO 2009056205 A1 WO2009056205 A1 WO 2009056205A1 EP 2008008271 W EP2008008271 W EP 2008008271W WO 2009056205 A1 WO2009056205 A1 WO 2009056205A1
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scanning
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PCT/EP2008/008271
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Stephan Wagner-Conrad
Frank Hecht
Klaus Weisshart
Ralf Netz
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Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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Publication date
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/0004Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002Scanning microscopes
    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052Optical details of the image generation
    • G02B21/0076Optical details of the image generation arrangements using fluorescence or luminescence
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    • G02B21/0024Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/008Details of detection or image processing, including general computer control

Definitions

  • the invention relates to a method for configuring a laser scanning microscope for a raster image correlation spectroscopy measurement and to methods for performing raster image correlation spectroscopy measurement and for evaluating samples of a raster image correlation spectroscopy measurement. Moreover, the invention relates to a correspondingly configured control unit, a correspondingly arranged laser scanning microscope and a correspondingly configured computer program.
  • FCS fluorescence correlation spectroscopy
  • S-FCS scanning fluorescence correlation spectroscopy
  • ICS Image Correlation Spectroscopy
  • RICS raster image correlation spectroscopy
  • the sample is optically scanned in two or three dimensions in a grid-like manner
  • a laser scanning microscope is expediently used.
  • an interval within which a number of sampled values are assigned to a specific pixel or the period or frequency of such intervals is referred to as the pixel time.
  • the scan along the first scan direction is repeatedly performed after the scanning beam has been displaced along a second scanning direction ("scan column") so as to record a sequence of pixel lines Scanning movement along the first scanning direction and constant sampling frequency, the time step size is varied in the form of the pixel time for a distortion-free recording with a constant spatial step size.
  • the errors in the adaptation of the mathematical transport models to the correlations determined on the basis of the scanning or pixel values depend directly on the suitability of the sampled values or the pixel values derived therefrom for such an evaluation.
  • the suitability of the sample or pixel values depends in a complex manner on the size of the sample area to be examined, the density of the fluorescence markers in the sample, contamination of the sample holder with fluorescence markers, the sampling frequencies and speeds, the optical properties of the microscope, the type of scanning movement , the illuminance and the sensitivity of the detectors.
  • the concept of suitability includes statistical and systematic sources of error.
  • the invention is therefore based on the object of specifying methods and devices of the type mentioned above, with the help of which mathematical transport models can be adapted with low error to correlations determined by means of scanning fluorescence spectroscopy.
  • a best value for a scanning parameter is determined and predefined for a later scanning process on a sample.
  • best values for a plurality of scanning parameters can be determined and specified.
  • scanning parameters are all those variables which can be set in an RICS measurement on the laser scanning microscope, ie the scanning movement ("scan movement") of a scanning device, also as a scanning device or as a scanner referred to, relative to the sample or the electronic recording of the light reflected or emitted by the sample influence.
  • a best value in the sense of the invention is a single value or even a range of values in which an evaluation of a RICS measurement with the least error or within an interval around the smallest error is possible.
  • the evaluation may include, for example, the determination of pixel values from samples as well as auto and cross correlations and the subsequent adaptation by means of compensation calculation.
  • the samples or pixel values Prior to evaluation, the samples or pixel values may be modified appropriately, for example by filtering. If there are several local error conditions, the best value can consist of several individual values or value ranges. The default can then be done for example in the form of a selection list.
  • a pixel value derived from one or more samples may always be used.
  • one or more of the following quantities are used as sample parameters: spatial step size, sample rate, pixel time, line time, sample rate.
  • scanning speed is meant the spatial speed at which the scanning point or - when using illumination and detection slit diaphragms instead of pinhole diaphragms - the scanning line (“line scanning”) move over the sample.
  • a constant scanning amplitude (scan amplitude) is made possible by the use and optimization of these scanning parameters
  • the pixel and line times are set exclusively via the scanning speed, in particular taking into account the sample recording frequency.
  • the best value of the spatial step size is determined based on a width of a point transfer function of the laser scanning microscope so that the spatial step size is significantly smaller than the width of the point transfer function (PSF).
  • PSF point transfer function
  • ⁇ , ⁇ pixel coordinates, fr the spatial step size of the scan ⁇ P the pixel time, ⁇ L the line time, D the diffusion constant, ß ⁇ and ⁇ z the width of the PSF in the lateral and axial direction, N the number of fluorescent particles in the Confocal volume and ⁇ a form factor, which takes into account the shape of the confocal volume. If the spatial step size ⁇ small compared to the lateral width W 0 of
  • the exponential factor (scanning term) always remains in the order of 1, whereby a high suitability of the samples for the evaluation is possible.
  • the best value of the spatial step size is determined on the basis of at least one objective parameter and a wavelength of light wavelength to be used during later scanning. As a result, a high accuracy of the RICS evaluation can be achieved.
  • the best value is determined by carrying out several test scans of the sample to be scanned later, each with a different sampling value for the scanning parameter. This approach can be performed similarly to a trial-and-error strategy with little effort.
  • the best value can be determined by searching the minimum of the particular statistical error of a target variable, in particular by determining a minimum of an error of a variable characterizing a dynamics of a sample procedure from the sample values of the test samples.
  • a correlation is determined and a model function adapted thereto.
  • the target variable can be an erroneous parameter of the model function or at least derived from such parameters.
  • a diffusion constant is used as a variable characterizing the dynamics.
  • the best value can be determined by determining a maximum of a width of a correlation of a test scan from the samples of the test scans. This can also be used with little effort as a measure of the statistical quality of the correlation.
  • the sample is bidirectionally scanned with the test value of the sampling parameter to be optimized different in the outward and in the backward direction.
  • the number of trial scans can be reduced.
  • the configuration can be done faster.
  • Embodiments in which the scanning in the forward and backward direction takes place within the same scanning line are particularly advantageous. In this way, in one scan line, samples having two different pixel times can be acquired at the same line time without reducing the number of lines per direction. With only one sampling of the sample area to be scanned, three time parameters can already be checked. This not only reduces the illumination time of the sample, but also enables the configuration with high speed and high accuracy.
  • Such an embodiment of the method can also be used with line-shaped illumination and scanning by means of slit diaphragms.
  • This type of capture captures multiple pixels in the same scan column simultaneously.
  • the pixel time has the same value for all pixels of the scan column.
  • a simulation of a transport process in the sample and / or a virtual test scan are performed to determine the best value.
  • the virtual trial scans may be performed by modeling the sample to be examined and resulting samples or by changing real measured samples to avoid sample damage due to too frequent or too long exposure.
  • correlation data can be determined only mathematically by simulation using a model, for example a model of dynamic particle interactions.
  • the exposure of the sample to the actual measurement process can be limited using the previously virtually determined best value.
  • the sample is actually over-sampled electronically and at least one virtual test scan based on the oversampling is performed by subsequently mathematically varying the number of samples taken for the virtual test scan.
  • This provides a quick way to tentatively determine the sampling parameters pixel time and line time with different values and to determine the value with the best suitability without having to perform a real sampling with these pixel and / or line times.
  • different values of the sampling parameter "spatial step size" can be set experimentally for this purpose.
  • several of the samples may be summarized or omitted. This can be done with high speed and high accuracy.
  • the sample area to be scanned is determined on the basis of geometric specifications of a user.
  • the sample area to be scanned may consist of one or more, each in themselves related areas or there are treated several separate sample areas in parallel. For each area or each sample area then results own best values for the one or more sampling parameters.
  • the geometric specifications are preferably made on the basis of an overview image of the sample graphically by selecting regions of interest of the sample (ROI). Both in the configuration and in the RICS measurement then preferably only the predetermined areas / areas are scanned.
  • the RICS evaluation is performed by correlation analysis, preferably including cross-correlation, and also preferably only in the areas of interest.
  • the best value is preferably determined exclusively for and exclusively on the basis of samples or derived pixel values from the sample area to be scanned. This reduces the duration of the configuration process.
  • the best value is output as a suggestion and a confirmation of a user for the optimized value is determined before a later scanning process.
  • the user has the option of checking and modifying the best value before the actual measurement.
  • the user interface offers the possibility to set the proposed best value by an operation for the subsequent scanning or select from the proposed area.
  • a correlation is determined exclusively in a sample area within which a pixel time along a harmonically controlled scanning axis is less than or at most by a predetermined or predeterminable value, in particular by 10%, changes.
  • a predetermined or predeterminable value in particular by 10%
  • changes for a particular method of performing a raster image correlation spectroscopy measurement on a sample, samples are taken only in a sample area within which a pixel time along a harmonic driven scan axis is less than or at most a predetermined or specifiable value, in particular, 10%. , changes. This reduces the amount of data to be stored. Samples outside the range of near-constant pixel time, that is, samples whose associated pixels have pixel time varying by more than 10%, are not stored.
  • sampling values can be determined exclusively in a plurality of sampling regions, within which the pixel time changes along the harmonic-controlled sampling axis by less than or at most by a predetermined or predefinable value. Accordingly, for a method for evaluating samples, a
  • Raster sometimeskorrelationsspektroskopie horr a sample advantageously provided that separate correlations are determined in several scanning areas within which changes the pixel time along the harmonic driven scanning each by less than or at most by a predetermined or predetermined value.
  • the maximum values for the deviations in the different scanning areas may differ or be uniform, for example not more than 10% in each area.
  • the total correlation G then results as a superposition of the individual correlations G 1 of the individual scanning regions, for example to:
  • the sample can preferably be oversampled optically and / or electronically for a good statistical quality of the correlations.
  • the samples are recorded by means of a laser scanning microscope.
  • a correlation is determined from samples of a raster image correlation spectroscopy measurement by means of a control unit of a laser scanning microscope.
  • the number of sampled values can preferably be changed by combining or omitting the correlation in order to simulate different sampling parameters.
  • the sampling parameter can be varied after the actual data acquisition, considering the resulting suitability of the thus obtainable samples for the correlation and model analysis, in particular in one or more virtual test scans.
  • the invention also encompasses a control unit for a laser scanning microscope, which is set up programmatically for carrying out a method according to the invention, a laser scanning microscope with such a control unit and a computer program which is set up to carry out a method according to the invention.
  • 5 shows the scanning with different scanning speed in the forward and reverse directions
  • 6 shows the variation of the number of samples
  • Fig. 7 shows the selection of areas of interest
  • FIG. 8 is a flow chart of a configuration, data retrieval and evaluation method.
  • FIG. 1 shows, by way of example, a confocal laser scanning microscope, which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • a laser module 1 is provided, which is equipped with lasers 2, 3 and 4 for generating laser light of the wavelengths 633 nm, 543 nm and 488 nm for the visible range.
  • the radiation emanating from the lasers 2, 3 and 4 is coupled via several beam combiner 5, an AOTF 6 and an optical fiber 7 into a scanning device 8, which is equipped with a unit 9 which deflects the beam in the coordinates X and Y.
  • the scanning movement along the scanning axis X can take place in the form of a harmonic oscillation or, for example, in the form of a triad progression.
  • a UV laser is provided, whose light is coupled via an AOTF I l and an optical fiber 12 in the scanning device 8.
  • the optical fibers 7 and 12 are followed by respective collimating optics 13 whose distances from the respective fiber end are variable and which are coupled for this purpose with a controllable adjusting device (not shown in the drawing).
  • the laser radiation is coupled through a scanning lens 14 in the beam path of the microscope 15 shown simplified and here directed to a sample 16 containing a fluorescent dye or to which such a dye has been applied.
  • the laser radiation passes through a tube lens 17, a beam splitter 18 and the microscope objective 19.
  • the light reflected and / or emitted by the respectively applied location of the sample passes through the microscope objective 19 back to the beam deflecting device 9, then passes through a beam splitter 20 and, with the aid of the imaging optics 21 after splitting into a plurality of detection channels 22 on detectors 23 in the form of
  • the light is directed by way of example by a deflecting prism 24 onto dichroic beam splitters 25.
  • the photomultiplier tube (PMT) is directed to one of the detection channels 22 Both adjustable in the direction and perpendicular to the radiation direction and changeable in their diameters Pinholes 26 and emission filter 27 are provided.
  • the outputs of the detectors 23 lead to the signal inputs of an evaluation circuit 28, which in turn is connected to a control unit 29 in order to integrate and evaluate the signals of the detectors 23 pixel by pixel.
  • the outputs of the control unit 29 are connected to the signal inputs of the laser modules 1 and 10, with signal inputs of the adjusting devices for influencing the position of optical elements or assemblies, such as the position of the collimating optics 13 and the pinholes 26, with the scanning device 8 and with the evaluation circuit 28 connected (not shown in detail).
  • the control unit 29 is also connected to a display (not shown) and controls (not shown) for data entry and modification.
  • the laser radiation coupled into the scanning device 8 is branched by a beam splitter 30, one of the branches for monitoring the laser radiation being directed to an optoelectronic receiver 31, the plurality of filter filters arranged on filter wheels and interchangeable by rotation of the filter wheels line filter 32 and also against each other replaceable neutral filter 33 are arranged upstream.
  • the output of the receiver 31 is also located at a signal input of the evaluation circuit 28.
  • the filter wheels on which the line filter 32 and the neutral filter 33 are arranged are coupled to adjusting devices whose control inputs are connected to signal outputs of the control unit 29 (not shown in the drawing).
  • the method according to the invention can also be implemented with laser scanning microscopes of significantly simpler construction.
  • one of the deflecting mirrors of the beam deflecting unit 9 in subfigure 2A is the deflection angle ⁇ of the relevant deflecting mirror, in subfigure 2B the deflection X of the scanning beam on the specimen 16 and in subfigure 2C the location-dependent pixel time ⁇ P shown.
  • the pixel time Tp is the duration over which a signal from a photomultiplier 23 is integrated into a sample for a respective pixel and averaged. Due to the harmonic motion, the pixel times Xp at the outer edges of the scannable area are significantly longer than in the center.
  • the deflection X of the scanning beam in the sample plane is given as: x - f tan [fesin (ö) t)] - fb sin ( ⁇ »0 » where t is the time, b the
  • Amplitude and ⁇ indicates the rotational frequency and the approximation for small deflection angle is applicable.
  • FIG. 3 shows the local limitation of data sampling in an RICS measurement with a harmonic scanning movement of the light beam along the scanning axis X and a linear scanning movement along the scanning axis Y.
  • FIG. 3A shows the restriction in a deflection time.
  • Diagram, sub-figure 3B locally in an image (XY-diagram) of an exemplary sample.
  • the RICS evaluation takes place according to the invention only in a restricted middle X-region in which the pixel time Tp is less than 10 % changes.
  • the data may be analyzed with model functions adapted to the changing pixel time Tp.
  • the evaluation circuit 28 generates samples only while the scanning beam is in the middle X-range. This reduces the amount of data and the amount of data to be stored.
  • the control unit 29 Before the sample 16 is scanned for an actual RICS evaluation, best values for individually selectable scanning parameters can be determined by means of the control unit 29 at the request of a user / user and proposed on the display. This is possible regardless of the type of scanning movement (harmonic, triangular, etc.). The user / user then has the option of using the operating elements to adopt the proposed scanning parameters for a subsequent scanning process or to modify them beforehand.
  • the sampling parameters can preferably be compulsorily optimized after the start of an actual RICS measurement as part of the measurement process before the actual sampling, without informing the user. This also allows users / users who do not have a detailed knowledge of the optical and electronic scanning process to determine model parameters of low-error transport processes using RIC S measurements and evaluations.
  • a best value for a scanning parameter can be determined purely mathematically on the one hand, and on the other hand through a number of experimental test scans with varying scanning parameters.
  • a best value for the spatial step size ⁇ r can be determined purely mathematically from the objective parameters and a wavelength of light to be used during later scanning.
  • the best pixel time Xp and the best line time X L can be determined purely by real trial scans, each with a different value for times Xp, X L.
  • Mixed forms are also conceivable, for example the proportional calculation of the best value for the spatial step size ⁇ r and the proportional experimental determination for the pixel time Xp, while the line time X L is not optimized, but left to the user for free adjustment.
  • the best value can be determined by purely computational simulations on the basis of dynamic models. This is useful, for example, to minimize the light energy deposited in the sample when the sample is phototoxic and there is enough information about the dynamic transport process for modeling.
  • a real sample parameter such as the pixel time Tp may be modified by combining or omitting different numbers of samples of a real trial sample.
  • the controller may provide a user interface. The determined best values are then given automatically or on demand for a subsequent RICS measurement and evaluation.
  • a best score can be obtained by taking from the samples of the trial scans the RICS correlations and, after fitting a model function by a compensation calculation, a minimum of one sample dynamics error characterizing target size, for example, a diffusion constant, is determined. This can be done, for example, in a per se known interval bisecting method until a minimum of the target size error is found.
  • FIG. 5 shows the solution according to the invention for accelerating the configuration method in the case of a scan with an approximately triangular course, but the solution can also be used for harmonic motion.
  • the sampling of the sample in a real trial scan is bidirectional.
  • a first scan speed V X LR of the beam deflecting unit 9 from left to right and in the back scan a second scan speed V ⁇ , RL of beam deflecting unit 9 set from right to left.
  • T P , L- R in the forward scanning direction than in the reverse scanning direction with T P , R.
  • L - The data acquisition takes place only in two areas, for example, in which the pixel times Tp 1R-L and Xp 1R-L are approximately constant.
  • the data recording can take place over the entire sampling amplitude, wherein for the evaluation only samples from the two regions with approximately constant pixel time Tp, L - R or Tp 1R-L are used.
  • the data of the two scanning directions are processed separately to pixel values (image data) and analyzed separately with respect to the optimization of the scanning parameters.
  • the best value can be determined on the basis of the pixel time Tp at which the error of the target parameter is minimal.
  • Fig. 6 an embodiment is shown in which, instead of changing the scanning speed Vx, the pixel time Tp is varied by reducing the number of samples taken in an electronic oversampling, more specifically the averaged raw data of the evaluation circuit 28. This can be done by combining or omitting samples, in particular with a constant sampling frequency of the evaluation circuit 28. As a result, the number of pixels available for correlations is reduced, requiring a corresponding change in the effective spatial increment ⁇ r of the virtual trial scans.
  • the spatial step size ⁇ r can be increased as the pixel time Tp increases, for example when the number of samples per pixel is increased.
  • the sample acquisition frequency is, for example, constantly 40 MHz.
  • the scanning speed V X ⁇ .R / R - L ) is set by the control unit 29 so as to effect electronic oversampling.
  • virtual scanning tests with different pixel times Tp, k can be carried out in order to determine the best value.
  • a virtual pixel time Tp > 2 can be determined virtually from a pixel time Tp, ⁇ by averaging two adjacent sample values.
  • the pixel time Tp > 2 is then twice as large as Tp , i.
  • the reduction of the number of samples can be advantageously combined with optical Oversampling can be used because the exponential factor can be kept almost constant.
  • the sample acquisition frequency can also be varied as a sampling parameter.
  • FIG. 7 shows several regions of interest RO1 that have been selected graphically by a user on the basis of an overview image of the sample.
  • the configuration recording and evaluation methods according to the invention can be carried out separately and independently of the other regions of interest in each region of interest. Cross-correlations between the areas are also possible in the RIC S evaluation.
  • FIG. 8 schematically summarizes the steps of a method according to the invention, which includes both the configuration of the laser scanning microscope and the data acquisition and evaluation for the determination of difusion constants D 1 in various regions of interest i, in a flow chart.
  • the fast scan axis X is controlled harmonically by way of example, the slow scan axis Y linearly.

Abstract

1.1. The invention relates to a method for configuration of a laser scanning microscope for raster image correlation spectroscopy measurement and a method for conducting and evaluating such a measurement 2.1. The manual adjustment of the scanning parameters for a raster image correlation spectroscopy measurement (RICS) is expensive because the effects of an adjustment of a certain parameter are not obvious due to the complex interaction between the various parameters and also depend on the physical and technical properties of the microscope. Using an improved configuration method, mathematical transport models should be adaptable with a low incidence of errors to correlations determined by means of scanning fluorescence spectroscopy. Using an improved method for conducting or evaluating an RICS measurement, the amount of data to be stored should be reduced and it should be possible to detect RICS correlations with a higher statistical quality in a short time. 2.2. According to the invention, a best value is determined for a scanning parameter for a raster image correlation spectroscopy measurement and simulated to a sample for a later scanning process. In order to conduct or evaluate an RICS measurement, scan values are captured and a correlation is determined, only in a sample area inside which a pixel time (ΔP) changes along a harmonically controlled scanning axis (X) by less than or at the most by a predetermined or predeterminable value. 2.3. The invention is preferably used in laser scanning microscopes.

Description

Konfiguration eines Laser-Scanning-Mikroskops für eine Configuration of a laser scanning microscope for a
Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung sowie Verfahren zur Durchführung und Auswertung einer solchen MessungRasterbildkorrelationsspektroskopiemessung and method for performing and evaluating such a measurement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konfiguration eines Laser-Scanning-Mikroskops für eine Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung sowie Verfahren zum Durchführen einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung und zum Auswerten von Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine entsprechend eingerichtete Steuereinheit, ein entsprechend eingerichtetes Laser-Scanning- Mikroskop und ein entsprechend eingerichtetes Computerprogramm.The invention relates to a method for configuring a laser scanning microscope for a raster image correlation spectroscopy measurement and to methods for performing raster image correlation spectroscopy measurement and for evaluating samples of a raster image correlation spectroscopy measurement. Moreover, the invention relates to a correspondingly configured control unit, a correspondingly arranged laser scanning microscope and a correspondingly configured computer program.
Zur Untersuchung von veränderlichen Stofϊkonzentrationen im mikroskopischen Größenbereich, hervorgerufen durch Diffusions- und andere Transportprozesse in einer Probe, kann die sogenannte Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) verwendet werden. Damit können physikalische und biologische Transportprozesse in einem einzelnen beziehungsweise durch ein einzelnes Volumen mit einem Durchmesser von etwa 200 nm beobachtet werden. Um Aussagen über die Transportvorgänge in der Probe machen zu können, werden Korrelationen der Fluoreszenzmessdaten ermittelt und mathematische Transportmodelle an diese Korrelationen angepasst, beispielsweise mittels Ausgleichsrechnungen. So können aus den angepassten Modellen beispielsweise Difϊusionskonstanten bestimmt werden. Die Transportmodelle sind typischerweise mathematische Funktionen, deren Parameter angepasst werden.To investigate variable substance concentrations in the microscopic size range, caused by diffusion and other transport processes in a sample, the so-called fluorescence correlation spectroscopy (FCS) can be used. Thus, physical and biological transport processes can be observed in a single or by a single volume with a diameter of about 200 nm. In order to be able to make statements about the transport processes in the sample, correlations of the fluorescence measurement data are determined and mathematical transport models are adapted to these correlations, for example by means of compensation calculations. For example, from the adapted models, diffusion constants can be determined. The transport models are typically mathematical functions whose parameters are adjusted.
Eine räumliche Auflösung von mikroskopischen Transportvorgängen wird durch die abtastende Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (S-FCS), auch alsSpatial resolution of microscopic transport events is provided by scanning fluorescence correlation spectroscopy (S-FCS), also known as
Bildkorrelationsspektroskopie (ICS) bezeichnet, erreicht. Hierbei können zeitliche Größenordnungen von Sekunden bis Minuten verfolgt werden. Die zwei- oder dreidimensional ortsaufgelöste Verfolgung innerhalb einer Zelle oder zwischen durch Membranen getrennten Zellen im Zeitbereich zwischen Mikro- und Millisekunden wird durch die Rasterbildkorrelationsspektroskopie (RICS) ermöglicht. Hier wird die Probe in zwei oder drei Dimensionen rasterförmig optisch abgetastet („Scanning"). Für die abtastende Korrelationsspektroskopie wird zweckmäßigerweise ein Laser-Scanning-Mikroskop eingesetzt. Während der optischen Abtastbewegung einer RICS-Messung werden mit typischerweise konstanter Abtastwertaufhahmefrequenz („Sampling-Frequenz") digitale Abtastwerte („Sampling-Werte", „Samples") längs einer ersten Abtastrichtung („Scan-Zeile") elektronisch aufgenommen und zu Pixelwerten weiterverarbeitet. Jeder Pixelwert wird dabei aus einem oder mehreren Abtastwerten ermittelt. Als Pixelzeit wird dabei ein Intervall, innerhalb dessen eine Anzahl von Abtastwerten einem bestimmten Pixel zugeordnet wird, oder die Periode beziehungsweise Frequenz solcher Intervalle bezeichnet. Die Abtastung längs der ersten Abtastrichtung wird nach Versetzung des Abtaststrahls längs einer zweiten Abtastrichtung („Scan-Spalte") wiederholt durchgeführt, so dass eine Folge von Pixelzeilen aufgenommen wird. Intervalle beziehungsweise Perioden von aufeinanderfolgenden Pixelzeilen werden als Linienzeit bezeichnet. Im Falle einer zeitlich nichtlinearen Abtastbewegung längs der ersten Abtastrichtung und konstanter Abtastwertaufnahmefrequenz wird für eine verzerrungsfreie Aufnahme mit konstanter Ortsschrittweite die Zeitschrittweite in Form der Pixelzeit variiert.Image Correlation Spectroscopy (ICS). Here temporal orders of magnitude from seconds to minutes can be tracked. Two- or three-dimensional spatially resolved tracking within a cell or between membranes separated cells in the time domain between micro- and milliseconds is made possible by raster image correlation spectroscopy (RICS). Here, the sample is optically scanned in two or three dimensions in a grid-like manner For scanning correlation spectroscopy, a laser scanning microscope is expediently used. During the optical scanning movement of an RICS measurement, sampling samples ("sampling values") along a first scanning direction ("scan line") are electronically picked up and processed into pixel values at a typically constant sampling frequency , Each pixel value is determined from one or more samples. In this case, an interval within which a number of sampled values are assigned to a specific pixel or the period or frequency of such intervals is referred to as the pixel time. The scan along the first scan direction is repeatedly performed after the scanning beam has been displaced along a second scanning direction ("scan column") so as to record a sequence of pixel lines Scanning movement along the first scanning direction and constant sampling frequency, the time step size is varied in the form of the pixel time for a distortion-free recording with a constant spatial step size.
Die Fehler der Anpassung der mathematischen Transportmodelle an die anhand der Abtastoder Pixelwerte ermittelten Korrelationen hängen unmittelbar von der Eignung der Abtastwerte beziehungsweise der daraus abgeleiteten Pixelwerte für eine solche Auswertung ab. Die Eignung der Abtast- beziehungsweise Pixelwerte wiederum hängt in komplexer Weise von der Größe des zu untersuchenden Probenbereichs, der Dichte der Fluoreszenzmarker in der Probe, Verunreinigungen des Probenträgers mit Fluoreszenzmarkern, den Abtastfrequenzen und -geschwindigkeiten, den optischen Eigenschaften des Mikroskops, der Art der Abtastungsbewegung, der Beleuchtungsstärke und der Empfindlichkeit der Detektoren ab. Der Begriff der Eignung schließt statistische und systematische Fehlerquellen ein.The errors in the adaptation of the mathematical transport models to the correlations determined on the basis of the scanning or pixel values depend directly on the suitability of the sampled values or the pixel values derived therefrom for such an evaluation. The suitability of the sample or pixel values, in turn, depends in a complex manner on the size of the sample area to be examined, the density of the fluorescence markers in the sample, contamination of the sample holder with fluorescence markers, the sampling frequencies and speeds, the optical properties of the microscope, the type of scanning movement , the illuminance and the sensitivity of the detectors. The concept of suitability includes statistical and systematic sources of error.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe mathematische Transportmodelle mit geringem Fehler an mittels abtastender Fluoreszenzspektroskopie ermittelte Korrelationen angepasst werden können.The invention is therefore based on the object of specifying methods and devices of the type mentioned above, with the help of which mathematical transport models can be adapted with low error to correlations determined by means of scanning fluorescence spectroscopy.
Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren, welche die in den Ansprüchen 1 , 16 und 20 angegebenen Merkmale aufweist, sowie durch Anordnungen, welche die in den Ansprüchen 24, 25 und 26 angegebenen Merkmale aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by methods having the features specified in claims 1, 16 and 20, and by arrangements having the features specified in claims 24, 25 and 26. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist für ein Verfahren zur Konfiguration eines Laser-Scanning-Mikroskops für eine Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung vorgesehen, dass ein Bestwert für einen Abtastparameter ermittelt und für einen späteren Abtastvorgang an einer Probe vorgegeben wird. Insbesondere können Bestwerte für mehrere Abtastparameter ermittelt und vorgegeben werden.According to the invention, for a method for configuring a laser scanning microscope for a raster image correlation spectroscopy measurement, it is provided that a best value for a scanning parameter is determined and predefined for a later scanning process on a sample. In particular, best values for a plurality of scanning parameters can be determined and specified.
Im Sinne der Erfindung sind Abtastparameter („Scan-Parameter") alle diejenigen bei einer RICS-Messung am Laser-Scanning-Mikroskop einstellbaren Größen, die die Abtastbewegung („Scan-Bewegung") einer Abtasteinrichtung, auch als Scan-Einrichtung oder als Scanner bezeichnet, relativ zur Probe oder die elektronische Aufnahme des von der Probe reflektierten oder emittierten Lichts beeinflussen.For the purposes of the invention, scanning parameters ("scan parameters") are all those variables which can be set in an RICS measurement on the laser scanning microscope, ie the scanning movement ("scan movement") of a scanning device, also as a scanning device or as a scanner referred to, relative to the sample or the electronic recording of the light reflected or emitted by the sample influence.
Ein Bestwert ist im Sinne der Erfindung ein einzelner Wert oder auch ein Wertebereich, in dem eine Auswertung einer RICS-Messung mit geringstem Fehler beziehungsweise innerhalb eines Intervalls um den geringsten Fehler möglich ist. Die Auswertung kann beispielsweise das Ermitteln von Pixelwerten aus Abtastwerten sowie von Auto- und Kreuzkorrelationen und die anschließende Anpassung mittels Ausgleichsrechnung umfassen. Vor der Auswertung können die Abtastwerte oder die Pixelwerte in geeigneter Weise modifiziert werden, beispielsweise durch Filterung. Falls mehrere lokale Fehlerminima vorliegen, kann der Bestwert aus mehreren Einzelwerten oder Wertebereichen bestehen. Die Vorgabe kann dann beispielsweise in Form einer Auswahlliste erfolgen.A best value in the sense of the invention is a single value or even a range of values in which an evaluation of a RICS measurement with the least error or within an interval around the smallest error is possible. The evaluation may include, for example, the determination of pixel values from samples as well as auto and cross correlations and the subsequent adaptation by means of compensation calculation. Prior to evaluation, the samples or pixel values may be modified appropriately, for example by filtering. If there are several local error conditions, the best value can consist of several individual values or value ranges. The default can then be done for example in the form of a selection list.
Nachfolgend kann stets anstelle eines Abtastwerts ein aus einem oder mehreren Abtastwerten abgeleiteter Pixelwert eingesetzt werden.Subsequently, instead of a sample value, a pixel value derived from one or more samples may always be used.
Die manuelle Einstellung der Abtastparameter für eine RICS-Messung ist aufwendig, weil die Auswirkungen einer Einstellung eines bestimmten Parameters durch die komplexe Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Parametern nicht offensichtlich sind und auch von den physikalisch-technischen Eigenschaften des Mikroskops abhängen. Insbesondere deshalb kann die zu erwartende Eignung einer Messung für eine einzelne Kombination von Einstellungen aller Parameter nur grob vorhergesagt werden. Durch die erfindungsgemäße automatische Ermittlung eines Bestwerts für einen oder vorzugsweise mehrere solcher Parameter kann die Vorbereitung und Konfiguration einer RICS-Messung erheblich erleichtert und beschleunigt werden. Dabei können insbesondere die physikalisch-technischen Eigenschaften und Einstellungen des Mikroskops mit hoher Genauigkeit berücksichtigt werden. Dadurch können mathematische Transportmodelle mit geringem Fehler an aus den Abtastwerten ermittelte Korrelationen angepasst werden.The manual adjustment of the sampling parameters for an RICS measurement is expensive, because the effects of setting a particular parameter by the complex interaction between the various parameters are not obvious and also depend on the physical-technical properties of the microscope. In particular, therefore, the expected suitability of a measurement for a single combination of settings of all parameters can only be roughly predicted. By the inventive automatic determination of a best value for one or preferably several such Parameter, the preparation and configuration of a RICS measurement can be greatly facilitated and accelerated. In particular, the physical-technical properties and settings of the microscope can be taken into account with high accuracy. As a result, mathematical transport models with a low error can be adapted to correlations determined from the sampled values.
Vorzugsweise werden als Abtastparameter eine oder mehrere der folgenden Größen verwendet: räumliche Schrittweite, Abtastgeschwindigkeit, Pixelzeit, Linienzeit, Abtastwertaufnahmefrequenz. Unter Abtastgeschwindigkeit („Scan-Geschwindigkeit") wird dabei die räumliche Geschwindigkeit verstanden, mit welcher sich der abtastende Punkt beziehungsweise - bei Verwendung von Beleuchtungs- und Detektionsspaltblenden anstelle von Lochblenden - die abtastende Linie („Linien-Scanning") über die Probe bewegen. Die genannten Größen wechselwirken miteinander, so dass eine manuelle Konfiguration besonders viel Wissen über die Funktionsweise des Mikroskops und des Abtastvorgangs erfordert und somit aufwendig ist. Insbesondere wird durch die Verwendung und Optimierung dieser Abtastparametern eine konstante Abtastamplitude („Scan-Amplitude") ermöglicht. Zu diesem Zweck werden beispielsweise erfindungsgemäß die Pixel- und Linienzeiten ausschließlich über die Abtastgeschwindigkeit eingestellt, insbesondere unter Berücksichtigung der Abtastwertaufhahmefrequenz.Preferably, one or more of the following quantities are used as sample parameters: spatial step size, sample rate, pixel time, line time, sample rate. By scanning speed ("scan speed") is meant the spatial speed at which the scanning point or - when using illumination and detection slit diaphragms instead of pinhole diaphragms - the scanning line ("line scanning") move over the sample. The variables mentioned interact with one another, so that a manual configuration requires a great deal of knowledge about the mode of operation of the microscope and the scanning process and is therefore expensive. In particular, a constant scanning amplitude ("scan amplitude") is made possible by the use and optimization of these scanning parameters For this purpose, for example, according to the invention, the pixel and line times are set exclusively via the scanning speed, in particular taking into account the sample recording frequency.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Bestwert der räumlichen Schrittweite anhand einer Breite einer Punktübertragungsfunktion des Laser-Scanning-Mikroskops so ermittelt, dass die räumliche Schrittweite signifikant kleiner ist als die Breite der Punktübertragungsfunktion (PSF). Dies stellt eine optische Überabtastung (engl. Oversampling) dar. Auf diese Weise kann die Dämpfung der RICS-Korrelationen gering gehalten werden, was gleichbedeutend mit einer hohen statistischen Qualität und damit einem geringen Fehler nachfolgender Funktionsanpassungen ist. Beispielweise ergibt sich die Korrelation für den Fall freier Diffusion in drei Raumdimensionen alsIn an advantageous embodiment, the best value of the spatial step size is determined based on a width of a point transfer function of the laser scanning microscope so that the spatial step size is significantly smaller than the width of the point transfer function (PSF). This represents an optical oversampling. In this way, the attenuation of the RICS correlations can be kept low, which is synonymous with a high statistical quality and thus a small error of subsequent functional adjustments. For example, the correlation for the case of free diffusion in three spatial dimensions results as
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Darin sind ξ,ψ Pixelkoordinaten, «frdie räumliche Schrittweite beim Abtasten, τP die Pixelzeit, τL die Linienzeit, D die Difϊusionskonstante, ß^ und ωz die Breite der PSF in lateraler beziehungsweise axialer Richtung, N die Anzahl der fluoreszierenden Partikel im konfokalen Volumen und γ ein Formfaktor, der die Form des konfokalen Volumens berücksichtigt. Wird die räumliche Schrittweite ά klein gegenüber der lateralen Breite W0 derTherein, ξ, ψ pixel coordinates, fr the spatial step size of the scan, τ P the pixel time, τ L the line time, D the diffusion constant, ß ^ and ω z the width of the PSF in the lateral and axial direction, N the number of fluorescent particles in the Confocal volume and γ a form factor, which takes into account the shape of the confocal volume. If the spatial step size ά small compared to the lateral width W 0 of
PSF eingestellt, so bleibt der Exponentialfaktor („Scanning-Term") stets in der Größenordnung um 1 , wodurch eine hohe Eignung der Abtastwerte für die Auswertung ermöglicht wird.PSF is set, the exponential factor ("scanning term") always remains in the order of 1, whereby a high suitability of the samples for the evaluation is possible.
Zweckmäßigerweise wird der Bestwert der räumlichen Schrittweite anhand mindestens eines Objektivparameters und einer beim späteren Abtasten zu verwendenden Lichtwellenlänge ermittelt. Dadurch kann eine hohe Genauigkeit der RICS-Auswertung erreicht werden.Expediently, the best value of the spatial step size is determined on the basis of at least one objective parameter and a wavelength of light wavelength to be used during later scanning. As a result, a high accuracy of the RICS evaluation can be achieved.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Bestwert ermittelt, indem mehrere Versuchsabtastungen der später abzutastenden Probe mit jeweils unterschiedlichem Versuchswert für den Abtastparameter durchgeführt werden. Diese Vorgehensweise kann ähnlich einer Versuch-Irrtum-Strategie mit geringem Aufwand durchgeführt werden.In a particularly preferred embodiment, the best value is determined by carrying out several test scans of the sample to be scanned later, each with a different sampling value for the scanning parameter. This approach can be performed similarly to a trial-and-error strategy with little effort.
Dabei kann der Bestwert durch Suchen des Minimums des insbesondere statistischen Fehlers einer Zielgröße ermittelt werden, insbesondere indem aus den Abtastwerten der Versuchsabtastungen ein Minimum eines Fehlers einer eine Dynamik eines Probenvorgangs charakterisierenden Größe ermittelt wird. Vorzugsweise wird zum Ermitteln der Zielgröße und ihres Fehlers für jede Versuchsabtastung eine Korrelation ermittelt und eine Modellfunktion daran angepasst. Die Zielgröße kann dabei ein fehlerbehafteter Parameter der Modellfunktion oder zumindest aus solchen Parametern abgeleitet sein.In this case, the best value can be determined by searching the minimum of the particular statistical error of a target variable, in particular by determining a minimum of an error of a variable characterizing a dynamics of a sample procedure from the sample values of the test samples. Preferably, to determine the target size and its error for each trial scan, a correlation is determined and a model function adapted thereto. The target variable can be an erroneous parameter of the model function or at least derived from such parameters.
Vorzugsweise wird als eine die Dynamik charakterisierende Größe eine Diffusionskonstante verwendet. Alternativ oder zusätzlich kann der Bestwert bestimmt werden, indem aus den Abtastwerten der Versuchsabtastungen ein Maximum einer Breite einer Korrelation einer Versuchsabtastung ermittelt wird. Diese kann ebenfalls mit geringem Aufwand als Maß für die statistische Qualität der Korrelation verwendet werden.Preferably, a diffusion constant is used as a variable characterizing the dynamics. Alternatively or additionally, the best value can be determined by determining a maximum of a width of a correlation of a test scan from the samples of the test scans. This can also be used with little effort as a measure of the statistical quality of the correlation.
Vorteilhafterweise wird in den Versuchsabtastungen die Probe bidirektional mit in Hin- und Rückrichtung unterschiedlichem Versuchswert des zu optimierenden Abtastparameters abgetastet. So kann die Anzahl von Versuchsabtastungen reduziert werden. Die Konfiguration kann dadurch schneller erfolgen. Besonders vorteilhaft sind Ausgestaltungen, in denen die Abtastung in Hin- und Rückrichtung innerhalb derselben Abtastzeile erfolgt. Auf diese Weise können in einer Abtastzeile Abtastwerte mit zwei verschiedenen Pixelzeiten bei derselben Linienzeit aufgenommen werden, ohne die Anzahl der Zeilen pro Richtung zu reduzieren. Mit nur einmaligem Abtasten des abzutastenden Probenbereichs können so bereits drei Zeitparameter geprüft werden. Dies senkt nicht nur die Beleuchtungsdauer der Probe, sondern ermöglicht auch die Konfiguration mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit. Eine solche Ausgestaltung des Verfahrens kann auch bei linienförmiger Beleuchtung und Abtastung mittels Schlitzblenden eingesetzt werden. Bei dieser Art der Aufnahme werden mehrere in derselben Scan-Spalte liegende Pixel gleichzeitig aufgenommen. Die Pixelzeit hat hierbei für alle Pixel der Scan-Spalte denselben Wert. Durch eine bidirektionale Abtastung längs einer Scan-Zeile können also zwei Pixelzeiten in einer Versuchsabtastung geprüft werden.Advantageously, in the experimental scans, the sample is bidirectionally scanned with the test value of the sampling parameter to be optimized different in the outward and in the backward direction. Thus, the number of trial scans can be reduced. The configuration can be done faster. Embodiments in which the scanning in the forward and backward direction takes place within the same scanning line are particularly advantageous. In this way, in one scan line, samples having two different pixel times can be acquired at the same line time without reducing the number of lines per direction. With only one sampling of the sample area to be scanned, three time parameters can already be checked. This not only reduces the illumination time of the sample, but also enables the configuration with high speed and high accuracy. Such an embodiment of the method can also be used with line-shaped illumination and scanning by means of slit diaphragms. This type of capture captures multiple pixels in the same scan column simultaneously. The pixel time has the same value for all pixels of the scan column. By a bidirectional scanning along a scan line so two pixel times can be tested in a trial scan.
Vorzugsweise werden zur Ermittlung des Bestwerts eine Simulation eines Transportvorgangs in der Probe und/oder eine virtuelle Versuchsabtastung durchgeführt. Die virtuellen Versuchsabtastungen können beispielsweise anhand einer Modellierung der zu untersuchenden Probe und daraus resultierender Abtastwerte oder durch Veränderung real gemessener Abtastwerte durchgeführt werden, um eine Beschädigung der Probe durch zu häufige oder zu lange Belichtung zu vermeiden. Insbesondere können Korrelationsdaten ausschließlich rechnerisch durch Simulation anhand eines Modells ermittelt werden, beispielsweise eines Modells dynamischer Partikelwechselwirkungen. So kann die Belichtung der Probe auf den eigentlichen Messvorgang unter Verwendung des zuvor virtuell ermittelten Bestwerts beschränkt werden.Preferably, a simulation of a transport process in the sample and / or a virtual test scan are performed to determine the best value. For example, the virtual trial scans may be performed by modeling the sample to be examined and resulting samples or by changing real measured samples to avoid sample damage due to too frequent or too long exposure. In particular, correlation data can be determined only mathematically by simulation using a model, for example a model of dynamic particle interactions. Thus, the exposure of the sample to the actual measurement process can be limited using the previously virtually determined best value.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Probe real elektronisch überabgetastet und mindestens eine virtuelle Versuchsabtastung basierend auf der Überabtastung durchgeführt, indem die Anzahl der dabei aufgenommenen Abtastwerte für die virtuelle Versuchsabtastung nachträglich rechnerisch variiert wird. Dies stellt eine schnelle Möglichkeit dar, um die Abtastparameter Pixelzeit und Linienzeit mit verschiedenen Werten versuchshalber zu ermitteln und den Wert mit der besten Eignung zu bestimmen, ohne eine reale Abtastung mit diesen Pixel- und/oder Linienzeiten durchführen zu müssen. Insbesondere können so verschiedene Werte des Abtastparameters „räumliche Schrittweite" versuchshalber eingestellt werden. Zur Variation der Anzahl der Abtastwerte können vorteilhafterweise mehrere der Abtastwerte zusammengefasst oder ausgelassen werden. Dies kann mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit durchgeführt werden.In a preferred embodiment of the invention, the sample is actually over-sampled electronically and at least one virtual test scan based on the oversampling is performed by subsequently mathematically varying the number of samples taken for the virtual test scan. This provides a quick way to tentatively determine the sampling parameters pixel time and line time with different values and to determine the value with the best suitability without having to perform a real sampling with these pixel and / or line times. In particular, different values of the sampling parameter "spatial step size" can be set experimentally for this purpose. In order to vary the number of samples, advantageously several of the samples may be summarized or omitted. This can be done with high speed and high accuracy.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der abzutastende Probenbereich anhand von geometrischen Vorgaben eines Benutzers ermittelt. Der abzutastende Probenbereich kann dabei aus einem oder mehreren, jeweils in sich zusammenhängenden Gebieten bestehen beziehungsweise es werden mehrere separate Probenbereiche parallel behandelt. Für jedes Gebiet beziehungsweise jeden Probenbereich ergeben sich dann eigene Bestwerte für den oder die Abtastparameter. Die geometrischen Vorgaben werden vorzugsweise anhand eines Übersichtsbildes der Probe grafisch durch Auswahl von interessierenden Bereichen der Probe (ROI) gemacht. Sowohl bei der Konfiguration als auch bei der RICS-Messung werden dann vorzugsweise ausschließlich die vorgegebenen Gebiete/Bereiche abgetastet. Die RICS- Auswertung erfolgt durch Korrelationsanalyse, vorzugsweise einschließlich Kreuzkorrelation und ebenfalls vorzugsweise ausschließlich in den interessierenden Bereichen.In an advantageous embodiment, the sample area to be scanned is determined on the basis of geometric specifications of a user. The sample area to be scanned may consist of one or more, each in themselves related areas or there are treated several separate sample areas in parallel. For each area or each sample area then results own best values for the one or more sampling parameters. The geometric specifications are preferably made on the basis of an overview image of the sample graphically by selecting regions of interest of the sample (ROI). Both in the configuration and in the RICS measurement then preferably only the predetermined areas / areas are scanned. The RICS evaluation is performed by correlation analysis, preferably including cross-correlation, and also preferably only in the areas of interest.
In solchen Ausführungsformen wird der Bestwert vorzugsweise ausschließlich für den und ausschließlich anhand von Abtastwerten beziehungsweise abgeleiteten Pixelwerten aus dem abzutastenden Probenbereich ermittelt. Dies reduziert die Dauer des Konfigurationsvorgangs.In such embodiments, the best value is preferably determined exclusively for and exclusively on the basis of samples or derived pixel values from the sample area to be scanned. This reduces the duration of the configuration process.
In besonderen Ausgestaltungen der Erfindung wird der Bestwert als Vorschlag ausgegeben und vor einem späteren Abtastvorgang eine Bestätigung eines Benutzers für den optimierten Wert ermittelt. Durch solches Vorschlagen des Bestwerts beziehungsweise eines Bereichs für den Abtastparameters hat der Benutzer die Möglichkeit, den Bestwert vor der eigentlichen Messung zu überprüfen und zu modifizieren. Zweckmäßigerweise bietet die Benutzerschnittstelle die Möglichkeit, den vorgeschlagenen Bestwert durch eine Bedienungshandlung für den späteren Abtastvorgang festzulegen beziehungsweise aus dem vorgeschlagenen Bereich auszuwählen.In special embodiments of the invention, the best value is output as a suggestion and a confirmation of a user for the optimized value is determined before a later scanning process. By proposing the best value or a range for the sampling parameter, the user has the option of checking and modifying the best value before the actual measurement. Conveniently, the user interface offers the possibility to set the proposed best value by an operation for the subsequent scanning or select from the proposed area.
Erfindungsgemäß ist für ein Verfahren zum Auswerten von Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung einer Probe vorteilhafterweise vorgesehen, dass eine Korrelation ausschließlich in einem Probenbereich ermittelt wird, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert, insbesondere um 10 %, ändert. So können RICS-Korrelationen mit hoher statistischer Qualität in kurzer Zeit ermittelt werden. Entsprechend ist für ein spezielles Verfahren zum Durchfuhren einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung an einer Probe vorgesehen, dass Abtastwerte ausschließlich in einem Probenbereich aufgenommen werden, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert, insbesondere um 10 %, ändert. So kann die zu speichernde Datenmenge reduziert werden. Abtastwerte außerhalb des Bereichs mit nahezu konstanter Pixelzeit, also Abtastwerte, deren zugeordnete Pixel eine um mehr als 10% schwankende Pixelzeit aufweisen, werden nicht gespeichert.According to the invention, for a method for evaluating samples of a raster image correlation spectroscopy measurement of a sample it is advantageously provided that a correlation is determined exclusively in a sample area within which a pixel time along a harmonically controlled scanning axis is less than or at most by a predetermined or predeterminable value, in particular by 10%, changes. Thus, RICS correlations with high statistical quality can be determined in a short time. Accordingly, for a particular method of performing a raster image correlation spectroscopy measurement on a sample, samples are taken only in a sample area within which a pixel time along a harmonic driven scan axis is less than or at most a predetermined or specifiable value, in particular, 10%. , changes. This reduces the amount of data to be stored. Samples outside the range of near-constant pixel time, that is, samples whose associated pixels have pixel time varying by more than 10%, are not stored.
In einer besonderen Ausführungsform können für eine hohe Eignung des Abtastparameters Abtastwerte ausschließlich in mehreren Abtastbereichen ermittelt werden, innerhalb derer sich die Pixelzeit längs der harmonisch angesteuerten Abtastachse jeweils um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert. Entsprechend ist für ein Verfahren zum Auswerten von Abtastwerten einerIn a particular embodiment, for a high suitability of the sampling parameter, sampling values can be determined exclusively in a plurality of sampling regions, within which the pixel time changes along the harmonic-controlled sampling axis by less than or at most by a predetermined or predefinable value. Accordingly, for a method for evaluating samples, a
Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung einer Probe vorteilhafterweise vorgesehen, dass separate Korrelationen in mehreren Abtastbereichen ermittelt werden, innerhalb derer sich die Pixelzeit längs der harmonisch angesteuerten Abtastachse jeweils um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert. Dabei können die Höchstwerte für die Abweichungen in den verschiedenen Abtastbereichen unterscheiden oder einheitlich sein, beispielsweise nicht mehr als 10 % in jedem Bereich. Die Gesamtkorrelation G ergibt sich dann als Superposition der Einzelkorrelationen G1 der einzelnen Abtastbereiche beispielsweise zu:Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung a sample advantageously provided that separate correlations are determined in several scanning areas within which changes the pixel time along the harmonic driven scanning each by less than or at most by a predetermined or predetermined value. The maximum values for the deviations in the different scanning areas may differ or be uniform, for example not more than 10% in each area. The total correlation G then results as a superposition of the individual correlations G 1 of the individual scanning regions, for example to:
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Darin sind ξ, ψ Pixelkoordinaten, <5r die räumliche Schrittweite beim Abtasten, τP die Pixelzeit, τL die Linienzeit, D die Diffusionskonstante,
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ωz die Breite der PSF in lateraler beziehungsweise axialer Richtung und N1 die Anzahl der jeweils im konfokalen Volumen enthaltenen Fluoreszenzpartikel. Erfindungsgemäß kann für eine gute statistische Qualität der Korrelationen die Probe vorzugsweise optisch und/oder elektronisch überabgetastet werden.
Where ξ, ψ are pixel coordinates, <5r is the spatial step size during scanning, τ P is the pixel time, τ L is the line time, D is the diffusion constant,
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ω z is the width of the PSF in the lateral or axial direction and N 1 is the number of fluorescent particles each contained in the confocal volume. According to the invention, the sample can preferably be oversampled optically and / or electronically for a good statistical quality of the correlations.
Vorteilhafterweise werden die Abtastwerte mittels eines Laser-Scanning-Mikroskops aufgenommen. Zweckmäßigerweise wird aus Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung mittels einer Steuereinheit eines Laser- Scanning-Mikroskops eine Korrelation ermittelt.Advantageously, the samples are recorded by means of a laser scanning microscope. Appropriately, a correlation is determined from samples of a raster image correlation spectroscopy measurement by means of a control unit of a laser scanning microscope.
Dabei kann vorzugweise für die Ermittlung der Korrelation die Anzahl der Abtastwerte durch Zusammenfassen oder Auslassen verändert werden, um unterschiedliche Abtastparameter zu simulieren. Damit kann der Abtastparameter nach der eigentlichen Datenerfassung unter Betrachtung der resultierenden Eignung der damit erreichbaren Abtastwerte für die Korrelations- und Modellanalyse variiert werden, insbesondere in einer oder mehreren virtuellen Versuchsabtastungen.In this case, the number of sampled values can preferably be changed by combining or omitting the correlation in order to simulate different sampling parameters. Thus, the sampling parameter can be varied after the actual data acquisition, considering the resulting suitability of the thus obtainable samples for the correlation and model analysis, in particular in one or more virtual test scans.
Die Erfindung umfasst auch eine Steuereinheit für ein Laser-Scanning-Mikroskop, die programmtechnisch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, ein Laser-Scanning-Mikroskop mit einer solchen Steuereinheit und ein Computerprogramm, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.The invention also encompasses a control unit for a laser scanning microscope, which is set up programmatically for carrying out a method according to the invention, a laser scanning microscope with such a control unit and a computer program which is set up to carry out a method according to the invention.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:
Fig. 1 ein Laser-Scanning-Mikroskop,1 a laser scanning microscope,
Fig. 2 Diagramme der Abtastbewegungen und der Pixelzeit,2 shows diagrams of the scanning movements and the pixel time,
Fig. 3 die Beschränkung des Datenaufhahme- und Korrelationsbereichs,3 shows the restriction of the data acquisition and correlation range,
Fig. 4 die Einteilung des abzutastenden Probenbereichs in Abschnitte mit nahezu konstanter Pixelzeit,4 shows the division of the sample area to be scanned into sections with a nearly constant pixel time,
Fig. 5 die Abtastung mit unterschiedlicher Abtastgeschwindigkeit in Hin- und Rückrichtung, Fig. 6 die Variation der Anzahl von Abtastwerten,5 shows the scanning with different scanning speed in the forward and reverse directions, 6 shows the variation of the number of samples,
Fig. 7 die Auswahl von interessierenden Bereichen undFig. 7 shows the selection of areas of interest and
Fig. 8 ein Flussdiagramm eines Konfigurations-, Datenaurhahme- und Auswertungsverfahrens .8 is a flow chart of a configuration, data retrieval and evaluation method.
In allen Zeichnungen haben übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.In all drawings, like parts have like reference numerals.
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop, das insbesondere zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Darin ist ein Lasermodul 1 vorgesehen, das mit Lasern 2, 3 und 4 zur Erzeugung von Laserlicht der Wellenlängen 633 nm, 543 nm beziehungsweise 488 nm für den sichtbaren Bereich ausgestattet ist. Die von den Lasern 2, 3 und 4 ausgehende Strahlung wird über mehrere Strahlvereiniger 5, ein AOTF 6 und eine Lichtleitfaser 7 in eine Scan-Einrichtung 8 eingekoppelt, die mit einer in den Koordinaten X und Y strahlablenkenden Einheit 9 ausgestattet ist. Die Abtastbewegung entlang der Abtastachse X kann in Form einer harmonischen Schwingung oder beispielsweise in Form eines Dreicksverlaufs erfolgen. In einem zweiten Lasermodul 10 ist ein UV-Laser vorgesehen, dessen Licht über ein AOTF I l und eine Lichtleitfaser 12 in die Scan- Einrichtung 8 eingekoppelt wird.FIG. 1 shows, by way of example, a confocal laser scanning microscope, which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention. Therein a laser module 1 is provided, which is equipped with lasers 2, 3 and 4 for generating laser light of the wavelengths 633 nm, 543 nm and 488 nm for the visible range. The radiation emanating from the lasers 2, 3 and 4 is coupled via several beam combiner 5, an AOTF 6 and an optical fiber 7 into a scanning device 8, which is equipped with a unit 9 which deflects the beam in the coordinates X and Y. The scanning movement along the scanning axis X can take place in the form of a harmonic oscillation or, for example, in the form of a triad progression. In a second laser module 10, a UV laser is provided, whose light is coupled via an AOTF I l and an optical fiber 12 in the scanning device 8.
In beiden Strahlengängen sind den Lichtleitfasern 7 und 12 jeweilige Kollimationsoptiken 13 nachgeordnet, deren Abstände zum jeweiligen Faserende veränderbar sind und die zu diesem Zweck mit einer ansteuerbaren Stelleinrichtung (zeichnerisch nicht dargestellt) gekoppelt sind.In both beam paths, the optical fibers 7 and 12 are followed by respective collimating optics 13 whose distances from the respective fiber end are variable and which are coupled for this purpose with a controllable adjusting device (not shown in the drawing).
Von der strahlablenkenden Einrichtung 9 wird die Laserstrahlung durch ein Scan-Objektiv 14 in den Strahlengang des vereinfacht dargestellten Mikroskops 15 eingekoppelt und hier auf eine Probe 16 gerichtet, die einen fluoreszierenden Farbstoff enthält oder auf die ein solcher Farbstoff aufgebracht worden ist. Auf dem Weg zur Probe passiert die Laserstrahlung eine Tubuslinse 17, einen Strahlteiler 18 und das Mikroskopobjektiv 19. Das von dem jeweils beaufschlagten Ort der Probe reflektierte und/oder emittierte Licht gelangt durch das Mikroskopobjektiv 19 zurück zur strahlablenkenden Einrichtung 9, passiert danach einen Strahlteiler 20 und wird mit Hilfe der Abbildungsoptik 21 nach Aufspaltung in mehrere Detektionskanäle 22 auf Detektoren 23 in Form vonFrom the beam-deflecting device 9, the laser radiation is coupled through a scanning lens 14 in the beam path of the microscope 15 shown simplified and here directed to a sample 16 containing a fluorescent dye or to which such a dye has been applied. On the way to the sample, the laser radiation passes through a tube lens 17, a beam splitter 18 and the microscope objective 19. The light reflected and / or emitted by the respectively applied location of the sample passes through the microscope objective 19 back to the beam deflecting device 9, then passes through a beam splitter 20 and, with the aid of the imaging optics 21 after splitting into a plurality of detection channels 22 on detectors 23 in the form of
Sekundärelektronenvervielfachern (engl, „photomultiplier"; PMT) gerichtet, von denen jeweils einer einem der Detektionskanäle 22 zugeordnet ist. Zum Zweck der Aufspaltung in die einzelnen Detektionskanäle 22 wird das Licht beispielhaft von einem Umlenkprisma 24 auf dichroitische Strahlteiler 25 gerichtet. In jedem Detektionskanal 22 sind sowohl in Richtung als auch senkrecht zur Strahlungsrichtung verstellbare und in ihren Durchmessern veränderbare Pinholes 26 sowie Emissionsfilter 27 vorgesehen.For the purpose of splitting into the individual detection channels 22, the light is directed by way of example by a deflecting prism 24 onto dichroic beam splitters 25. In each detection channel 22, the photomultiplier tube (PMT) is directed to one of the detection channels 22 Both adjustable in the direction and perpendicular to the radiation direction and changeable in their diameters Pinholes 26 and emission filter 27 are provided.
Die Ausgänge der Detektoren 23 fuhren zu den Signaleingängen einer Auswerteschaltung 28, die ihrerseits mit einer Steuereinheit 29 verbunden ist, um die Signale der Detektoren 23 pixelweise zu integrieren und auszuwerten. Die Ausgänge der Steuereinheit 29 sind mit den Signaleingängen der Lasermodule 1 und 10, mit Signaleingängen der Stelleinrichtungen zur Beeinflussung der Position von optischen Elementen beziehungsweise Baugruppen, beispielsweise der Position der Kollimationsoptiken 13 und der Pinholes 26, mit der Scan- Einrichtung 8 und mit der Auswerteschaltung 28 verbunden (im Detail nicht dargestellt). Die Steuereinheit 29 ist außerdem mit einer Anzeige (nicht dargestellt) und Bedienelementen (nicht dargestellt) zur Dateneingabe und -modifikation verbunden.The outputs of the detectors 23 lead to the signal inputs of an evaluation circuit 28, which in turn is connected to a control unit 29 in order to integrate and evaluate the signals of the detectors 23 pixel by pixel. The outputs of the control unit 29 are connected to the signal inputs of the laser modules 1 and 10, with signal inputs of the adjusting devices for influencing the position of optical elements or assemblies, such as the position of the collimating optics 13 and the pinholes 26, with the scanning device 8 and with the evaluation circuit 28 connected (not shown in detail). The control unit 29 is also connected to a display (not shown) and controls (not shown) for data entry and modification.
Beispielhaft ist die in die Scan-Einrichtung 8 eingekoppelte Laserstrahlung durch einen Strahlteiler 30 verzweigt, wobei einer der Zweige zur Überwachung der Laserstrahlung auf einen optoelektronischen Empfanger 31 gerichtet ist, dem mehrere auf Filterrädern angeordnete und durch Drehung der Filterräder gegeneinander austauschbare Linienfilter 32 und ebenso gegeneinander austauschbare Neutralfilter 33 vorgeordnet sind. Der Ausgang des Empfängers 31 liegt ebenfalls an einem Signaleingang der Auswerteschaltung 28. Die Filterräder, auf denen die Linienfilter 32 und die Neutral filter 33 angeordnet sind, sind mit Stelleinrichtungen gekoppelt, deren Steuereingänge mit Signalausgängen der Steuereinheit 29 verbunden sind (zeichnerisch nicht dargestellt).By way of example, the laser radiation coupled into the scanning device 8 is branched by a beam splitter 30, one of the branches for monitoring the laser radiation being directed to an optoelectronic receiver 31, the plurality of filter filters arranged on filter wheels and interchangeable by rotation of the filter wheels line filter 32 and also against each other replaceable neutral filter 33 are arranged upstream. The output of the receiver 31 is also located at a signal input of the evaluation circuit 28. The filter wheels on which the line filter 32 and the neutral filter 33 are arranged are coupled to adjusting devices whose control inputs are connected to signal outputs of the control unit 29 (not shown in the drawing).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich auch mit deutlich einfacher aufgebauten Laser-Scanning-Mikroskopen realisiert werden. In Fig. 2 sind für den Fall einer sinusförmigen harmonischen Bewegung eines der Ablenkspiegel der strahlablenkenden Einheit 9 in Teilfigur 2A der Auslenkwinkel φ des betreffenden Ablenkspiegel, in Teilfigur 2B die Auslenkung X des Abtaststrahls auf der Probe 16 und in Teilfigur 2C die ortsabhängige Pixelzeit τP dargestellt. Die Pixelzeit Tp ist die Dauer über welche ein Signal eines Sekundärelektronenvervielfachers 23 zu einem Abtastwert für einen jeweiligen Pixel integriert und gemittelt wird. Aufgrund der harmonischen Bewegung sind die Pixelzeiten Xp an den äußeren Rändern des abtastbaren Bereichs deutlich länger als im Zentrum. Analytisch ergibt sich die Auslenkung X des Abtaststrahls in der Probenebene als: x - f tan[fesin(ö) t)]~ f b sin(<» 0 » wobei t die Zeit, b dieOf course, the method according to the invention can also be implemented with laser scanning microscopes of significantly simpler construction. In FIG. 2, for the case of a sinusoidal harmonic motion, one of the deflecting mirrors of the beam deflecting unit 9 in subfigure 2A is the deflection angle φ of the relevant deflecting mirror, in subfigure 2B the deflection X of the scanning beam on the specimen 16 and in subfigure 2C the location-dependent pixel time τ P shown. The pixel time Tp is the duration over which a signal from a photomultiplier 23 is integrated into a sample for a respective pixel and averaged. Due to the harmonic motion, the pixel times Xp at the outer edges of the scannable area are significantly longer than in the center. Analytically, the deflection X of the scanning beam in the sample plane is given as: x - f tan [fesin (ö) t)] - fb sin (<»0 » where t is the time, b the
Amplitude und ω die Drehfrequenz angibt und die Näherung für kleine Ablenkwinkel anwendbar ist. Die Ortsschrittweite ΔX=δr wird vorzugsweise konstant gehalten, um unverzerrte Bilder aufzunehmen. Daraus folgt eine sich ändernde Zeitschrittweite Δt beziehungsweise Pixelzeit Tp: At = τP = Ax / r"-'l b . '-]1 ω~ Amplitude and ω indicates the rotational frequency and the approximation for small deflection angle is applicable. The local step size ΔX = δr is preferably kept constant in order to record undistorted images. This results in a changing time step size Δt or pixel time Tp: At = τ P = Ax / r " -'lb. ' - ] 1 ω ~
COS(ßJ /)COS (BJ /)
Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße örtliche Beschränkung der Datenaufhahme (engl. Sampling) bei einer RICS-Messung mit einer harmonischen Abtastbewegung des Lichtstrahls entlang der Abtastachse X und einer linearen Abtastbewegung entlang der Abtastachse Y. Teilfigur 3A zeigt die Beschränkung in einem Ablenkungs-Zeit-Diagramm, Teilfigur 3B örtlich in einem Bild (X-Y-Diagramm) einer beispielhaften Probe. Um Modellfunktionen, die auf der Annahme einer konstanten Pixelzeit Tp basieren, auf die ermittelten Pixelwerte mit geringem Fehler anwenden zu können, erfolgt die RICS-Auswertung erfolgt erfindungsgemäß nur in einem eingeschränkten mittleren X-Bereich, in dem sich die Pixelzeit Tp um weniger als 10 % ändert. In alternativen Ausführungsformen können auch in den Bereichen mit größeren Abweichungen die Daten mit an die sich ändernde Pixelzeit Tp angepassten Modellfunktionen analysiert werden. In einer speziellen weitergehenden Ausführungsform der Datenaufnahme (nicht abgebildet) generiert beispielsweise die Auswerteschaltung 28 Abtastwerte nur, während sich der Abtaststrahl in dem mittleren X-Bereich befindet. Dies reduziert das Datenaufkommen und die zu speichernde Datenmenge.3 shows the local limitation of data sampling in an RICS measurement with a harmonic scanning movement of the light beam along the scanning axis X and a linear scanning movement along the scanning axis Y. FIG. 3A shows the restriction in a deflection time. Diagram, sub-figure 3B locally in an image (XY-diagram) of an exemplary sample. In order to be able to apply model functions based on the assumption of a constant pixel time Tp to the determined pixel values with a low error, the RICS evaluation takes place according to the invention only in a restricted middle X-region in which the pixel time Tp is less than 10 % changes. In alternative embodiments, even in the regions with larger deviations, the data may be analyzed with model functions adapted to the changing pixel time Tp. In a specific further embodiment of the data acquisition (not shown), for example, the evaluation circuit 28 generates samples only while the scanning beam is in the middle X-range. This reduces the amount of data and the amount of data to be stored.
Die Datenaufhahme gemäß Fig. 4 ist nicht in einer solchen Weise beschränkt. Vielmehr ist die Probe in mehrere Bereiche i=0...3 unterteilt, die verschiedenen Einzelkorrelationen G, zugeordnet werden. Innerhalb jedes der Bereiche ändert sich die Pixelzeit Tp,, um nicht mehr als jeweils 10 %. Es wird also näherungsweise eine stückweise Linearität der Abtastbewegung angenommen. Zu jeden Bereich wird die mittlere Pixelzeit Xp,, für die RICS-Auswertung gespeichert.The data acquisition of Fig. 4 is not limited in such a way. Rather, the sample is subdivided into several regions i = 0... 3, which are assigned to different individual correlations G i. Within each of the areas, the pixel time Tp ,, does not change by more than 10% each. It is thus approximately a piecewise linearity of the scanning accepted. For each area, the average pixel time Xp is stored for RICS analysis.
Bevor die Probe 16 für eine eigentliche RICS-Auswertung abgetastet wird, können mittels der Steuereinheit 29 auf Anforderung eines Anwenders/Benutzers Bestwerte für einzeln auswählbare Abtastparameter ermittelt und auf der Anzeige vorgeschlagen werden. Dies ist unabhängig von der Art der Abtastbewegung (harmonisch, dreiecksfÖrmig usw.) möglich. Der Anwender/Benutzer hat dann mittels der Bedienelemente die Möglichkeit, die vorgeschlagenen Abtastparameter für einen nachfolgenden Abtastvorgang zu übernehmen oder sie zuvor zu modifizieren. Alternativ können die Abtastparameter vorzugsweise nach Start einer eigentlichen RICS-Messung als Teil des Messvorgangs vor der eigentlichen Abtastung obligatorisch optimiert werden, ohne dass der Benutzer darüber informiert wird. Dies ermöglicht es auch Anwendern/Benutzern, die keine detaillierten Kenntnisse des optischen und elektronischen Abtastverfahrens besitzen, mittels RIC S -Messungen und -Auswertungen Modellparameter von Transportprozessen mit geringen Fehlern zu ermitteln. Mit derselben Wirkung ist es denkbar, dass besonders qualifiziertes Bedienpersonal eine Optimierung von ausgewählten oder allen Abtastparametern gemäß der Erfindung außerhalb des regulären Betriebs vornimmt und die so gefundenen Bestwerte oder einen Wert eines so gefundenen Bestwertintervalls für spätere RICS-Messungen und -Auswertungen im regulären Betrieb vorgibt, die von weniger qualifizierten Benutzern durchgeführt werden. Bestwerte können beispielsweise für die miteinander in Wechselwirkung stehenden Abtastparameter räumliche Schrittweite δr und Pixelzeit Xp ermittelt werden.Before the sample 16 is scanned for an actual RICS evaluation, best values for individually selectable scanning parameters can be determined by means of the control unit 29 at the request of a user / user and proposed on the display. This is possible regardless of the type of scanning movement (harmonic, triangular, etc.). The user / user then has the option of using the operating elements to adopt the proposed scanning parameters for a subsequent scanning process or to modify them beforehand. Alternatively, the sampling parameters can preferably be compulsorily optimized after the start of an actual RICS measurement as part of the measurement process before the actual sampling, without informing the user. This also allows users / users who do not have a detailed knowledge of the optical and electronic scanning process to determine model parameters of low-error transport processes using RIC S measurements and evaluations. With the same effect, it is conceivable that particularly qualified operating personnel undertakes an optimization of selected or all scanning parameters according to the invention outside normal operation and specifies the best values thus found or a value of a best-value interval thus found for subsequent RICS measurements and evaluations in regular operation that are performed by less qualified users. Best values can be determined, for example, for the interacting scanning parameters spatial step size δr and pixel time Xp.
Ein Bestwert für einen Abtastparameter kann einerseits rein rechnerisch, andererseits durch eine Anzahl von experimentellen Versuchsabtastungen mit variierenden Abtastparametern ermittelt werden. Beispielsweise kann ein Bestwert für die räumliche Schrittweite δr aus den Objektivparametern und einer beim späteren Abtasten zu verwendenden Lichtwellenlänge rein rechnerisch ermittelt werden. Die beste Pixelzeit Xp und die beste Linienzeit XL können beispielsweise rein durch reale Versuchsabtastungen mit jeweils unterschiedlichem Wert für die Zeiten Xp, XL ermittelt werden. Auch Mischformen sind denkbar, beispielsweise die anteilig rechnerische Ermittlung des Bestwerts für die räumliche Schrittweite δr und die anteilig experimentelle Ermittlung für die Pixelzeit Xp, während die Linienzeit XL nicht optimiert, sondern dem Benutzer zur freien Einstellung überlassen wird. Anstelle von realen Versuchsabtastungen (Testmessungen) in Kombination mit einer Variation mindestens eines Abtastparameters kann der Bestwert durch rein rechnerische Simulationen auf der Basis dynamischer Modelle ermittelt werden. Dies bietet sich beispielsweise an, um die in der Probe deponierte Lichtenergie zu minimieren, wenn die Probe phototoxisch reagiert und genügend Informationen über den dynamischen Transportprozess für die Modellierung vorhanden sind.A best value for a scanning parameter can be determined purely mathematically on the one hand, and on the other hand through a number of experimental test scans with varying scanning parameters. For example, a best value for the spatial step size δr can be determined purely mathematically from the objective parameters and a wavelength of light to be used during later scanning. For example, the best pixel time Xp and the best line time X L can be determined purely by real trial scans, each with a different value for times Xp, X L. Mixed forms are also conceivable, for example the proportional calculation of the best value for the spatial step size δr and the proportional experimental determination for the pixel time Xp, while the line time X L is not optimized, but left to the user for free adjustment. Instead of real experimental scans (test measurements) in combination with a variation of at least one scanning parameter, the best value can be determined by purely computational simulations on the basis of dynamic models. This is useful, for example, to minimize the light energy deposited in the sample when the sample is phototoxic and there is enough information about the dynamic transport process for modeling.
Es ist auch möglich, auf der Grundlage einer oder mehrerer realer Versuchsabtastungen eine artifizielle Variation mindestens eines Abtastparameters durchzuführen. Dies kann als virtuelle Versuchsabtastung angesehen werden. Beispielsweise kann ein realer Abtastparameter wie die Pixelzeit Tp durch Zusammenfassen oder Auslassen unterschiedlicher Anzahlen von Abtastwerten einer realen Versuchsabtastung modifiziert werden.It is also possible to perform an artificial variation of at least one scanning parameter based on one or more real experimental scans. This can be considered as a virtual trial scan. For example, a real sample parameter such as the pixel time Tp may be modified by combining or omitting different numbers of samples of a real trial sample.
Sowohl für die rein rechnerische Simulation virtueller Versuchsabtastungen als auch für virtuelle Versuchsabtastungen ausgehend von einer oder mehreren realen Testmessungen kann die Steuereinheit (nicht abgebildet) eine Benutzerschnittstelle bereitstellen. Die ermittelten Bestwerte werden dann automatisch oder auf Nachfrage für eine anschließende RICS-Messung und -Auswertung vorgegeben.For both the purely computational simulation of virtual test scans and virtual trial scans based on one or more real test measurements, the controller (not shown) may provide a user interface. The determined best values are then given automatically or on demand for a subsequent RICS measurement and evaluation.
Aus mehreren Versuchsabtastungen, unabhängig davon, ob diese real oder virtuell durchgeführt werden, kann ein Bestwert ermittelt werden, indem aus den Abtastwerten der Versuchsabtastungen die RICS-Korrelationen und, nach Anpassung einer Modellfunktion durch eine Ausgleichsrechnung, ein Minimum eines Fehlers einer eine Dynamik eines Probenvorgangs charakterisierenden Zielgröße, beispielsweise einer Diffusionskonstante, ermittelt wird. Dies kann beispielsweise in einem an sich bekannten Intervallhalbierungsverfahren erfolgen, bis ein Minimum des Zielgrößenfehlers gefunden wird.From multiple trial scans, whether real or virtual, a best score can be obtained by taking from the samples of the trial scans the RICS correlations and, after fitting a model function by a compensation calculation, a minimum of one sample dynamics error characterizing target size, for example, a diffusion constant, is determined. This can be done, for example, in a per se known interval bisecting method until a minimum of the target size error is found.
Fig. 5 zeigt die erfindungsgemäße Lösung zur Beschleunigung des Konfigurationsverfahrens bei einer Abtastung mit etwa dreiecksfδrmigem Verlauf, die Lösung ist aber auch bei harmonischer Bewegung anwendbar. Das Abtasten der Probe in einer realen Versuchsabtastung erfolgt bidirektional. Dabei wird von der Steuereinheit 29 in der Hin- Abtastung eine erste Abtastgeschwindigkeit VX L-R der strahlablenkenden Einheit 9 von links nach rechts und in der Rück-Abtastung eine zweite Abtastgeschwindigkeit Vχ,R-L der strahlablenkenden Einheit 9 von rechts nach links eingestellt. Daraus ergibt sich in Hin- Abtastrichtung eine andere Pixelzeit TP,L-R als in Rück-Abtastrichtung mit TP,R.L- Dabei findet die Datenaufhahme beispielhaft nur in zwei Bereichen statt, in denen die Pixelzeiten Tp1R-L und Xp1R-L näherungsweise konstant sind. In einer alternativen Ausgestaltung (nicht abgebildet) kann die Datenaufnahme über die gesamte Abtastamplitude erfolgen, wobei für die Auswertung lediglich Abtastwerte aus den beiden Bereichen mit jeweils näherungsweise konstanter Pixelzeit Tp, L-R beziehungsweise Tp1R-L verwendet werden. In beiden Alternativen werden die Daten der beiden Abtastrichtungen separat zu Pixelwerten (Bilddaten) verarbeitet und separat bezüglich der Optimierung der Abtastparameter analysiert. Durch Variation der Pixelzeit Tp zwischen mehreren vollständigen Versuchsabtastungen des abzutastenden Probenbereichs kann nach Korrelationsbildung, Anpassung der Modell funktion und Fehlerbestimmung des Zielgrößenparameters der Bestwert anhand derjenigen Pixelzeit Tp ermittelt werden, bei welcher der Fehler des Zielgrößenparameters minimal ist.5 shows the solution according to the invention for accelerating the configuration method in the case of a scan with an approximately triangular course, but the solution can also be used for harmonic motion. The sampling of the sample in a real trial scan is bidirectional. In this case, from the control unit 29 in the forward scan a first scan speed V X LR of the beam deflecting unit 9 from left to right and in the back scan a second scan speed Vχ , RL of beam deflecting unit 9 set from right to left. This results in a different pixel time T P , L- R in the forward scanning direction than in the reverse scanning direction with T P , R. L - The data acquisition takes place only in two areas, for example, in which the pixel times Tp 1R-L and Xp 1R-L are approximately constant. In an alternative embodiment (not shown), the data recording can take place over the entire sampling amplitude, wherein for the evaluation only samples from the two regions with approximately constant pixel time Tp, L - R or Tp 1R-L are used. In both alternatives, the data of the two scanning directions are processed separately to pixel values (image data) and analyzed separately with respect to the optimization of the scanning parameters. By varying the pixel time Tp between a plurality of complete test scans of the sample area to be scanned, after correlation formation, adaptation of the model function and error determination of the target parameter, the best value can be determined on the basis of the pixel time Tp at which the error of the target parameter is minimal.
In Fig. 6 ist eine Ausführungsform gezeigt, in welcher anstelle der Änderung der Abtastgeschwindigkeit Vx die Pixelzeit Tp variiert wird, indem die Anzahl der bei einer elektronischen Überabtastung aufgenommenen Abtastwerte, genauer gesagt der gemittelten Rohdaten der Auswerteschaltung 28, reduziert wird. Dies kann, insbesondere bei konstanter Abtastwertaufnahmefrequenz der Auswerteschaltung 28, durch Zusammenfassen oder Auslassen von Abtastwerten erfolgen. Im Ergebnis wird die Anzahl der für Korrelationen zur Verfügung stehenden Pixel reduziert, was eine entsprechende Änderung der effektiven räumlichen Schrittweite δr der virtuellen Versuchsabtastungen erfordert. Beispielsweise ist die räumliche Schrittweite δr bei Vergrößerung der Pixelzeit Tp, beispielsweise bei Erhöhung der Anzahl der Abtastwerte pro Pixel, zu vergrößern.In Fig. 6, an embodiment is shown in which, instead of changing the scanning speed Vx, the pixel time Tp is varied by reducing the number of samples taken in an electronic oversampling, more specifically the averaged raw data of the evaluation circuit 28. This can be done by combining or omitting samples, in particular with a constant sampling frequency of the evaluation circuit 28. As a result, the number of pixels available for correlations is reduced, requiring a corresponding change in the effective spatial increment δr of the virtual trial scans. By way of example, the spatial step size δr can be increased as the pixel time Tp increases, for example when the number of samples per pixel is increased.
Die Abtastwertaufnahmefrequenz beträgt beispielsweise konstant 40 MHz. Die Abtastgeschwindigkeit VX^.R/R-L) wird von der Steuereinheit 29 so eingestellt, dass eine elektronische Überabtastung bewirkt wird. Durch unterschiedliche Varianten der Reduktion der Anzahl können virtuelle Abtastversuche mit verschiedenen Pixelzeiten Tp,k durchgeführt werden, um den Bestwert zu bestimmen. Beispielsweise kann eine virtuelle Pixelzeit Tp>2 virtuell aus einer Pixelzeit Tp,ι ermittelt werden, indem jeweils zwei benachbarte Abtastwerte gemittelt zusammengefasst werden. Die Pixelzeit Tp>2 ist dann doppelt so groß wie Tp,i. Die Reduktion der Anzahl des Abtastwerte kann vorteilhafterweise in Verbindung mit optischer Überabtastung eingesetzt werden, weil der Exponentialfaktor nahezu konstant gehalten werden kann.The sample acquisition frequency is, for example, constantly 40 MHz. The scanning speed V X ^ .R / R - L ) is set by the control unit 29 so as to effect electronic oversampling. By means of different variants of the reduction of the number, virtual scanning tests with different pixel times Tp, k can be carried out in order to determine the best value. For example, a virtual pixel time Tp > 2 can be determined virtually from a pixel time Tp, ι by averaging two adjacent sample values. The pixel time Tp > 2 is then twice as large as Tp , i. The reduction of the number of samples can be advantageously combined with optical Oversampling can be used because the exponential factor can be kept almost constant.
In alternativen Ausgestaltungen (nicht dargestellt) kann als Abtastparameter auch die Abtastwertaufhahmefrequenz variiert werden.In alternative embodiments (not shown), the sample acquisition frequency can also be varied as a sampling parameter.
Fig. 7 zeigt mehrere interessierende Bereiche ROl, die von einem Benutzer grafisch anhand eines Übersichtsbildes der Probe ausgewählt worden sind. Die erfindungsgemäßen Konfigurations- Aufnahme-, und Auswertungsverfahren können in jedem interessierenden Bereich separat und unabhängig von den anderen interessierenden Bereichen durchgeführt werden. Dabei sind in der RIC S -Auswertung auch Kreuzkorrelationen zwischen den Bereichen möglich.FIG. 7 shows several regions of interest RO1 that have been selected graphically by a user on the basis of an overview image of the sample. The configuration recording and evaluation methods according to the invention can be carried out separately and independently of the other regions of interest in each region of interest. Cross-correlations between the areas are also possible in the RIC S evaluation.
In Fig. 8 sind die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens, das sowohl die Konfiguration des Laser-Scanning-Mikroskops als auch die Datenaufhahme und -auswertung zur Bestimmung von Difirusionskonstanten D1 in verschiedenen interessierenden Bereichen i umfasst, in einem Flussdiagramm schematisch zusammengefasst. Die schnelle Abtastachse X wird dabei beispielhaft harmonisch angesteuert, die langsame Abtastachse Y linear. FIG. 8 schematically summarizes the steps of a method according to the invention, which includes both the configuration of the laser scanning microscope and the data acquisition and evaluation for the determination of difusion constants D 1 in various regions of interest i, in a flow chart. The fast scan axis X is controlled harmonically by way of example, the slow scan axis Y linearly.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Erstes Lasermodul1 first laser module
2,3,4 Laser2,3,4 laser
5 Strahlvereiniger5 beam combiner
6 AOTF6 AOTF
7 Lichtleitfaser7 optical fiber
8 Scan-Einrichtung8 Scan setup
9 Strahlablenkende Einheit9 Beam deflecting unit
10 Zweites Lasermodul10 second laser module
1 1 AOTF1 1 AOTF
12 Lichtleitfaser12 optical fiber
13 Kollimationsoptik13 collimation optics
14 Scan-Objektiv14 scan lens
15 Mikroskops15 microscopes
16 Probe16 sample
17 Tubuslinse17 tube lens
18 Strahlteiler18 beam splitters
19 Mikroskopobj ekti v19 Mikroskopobj ekti v
20 Strahlteiler20 beam splitters
21 Abbildungsoptik21 imaging optics
22 Detektionskanal22 detection channel
23 Sekundärelektronenvervielfacher23 secondary electron multipliers
24 Umlenkprisma24 deflection prism
25 Strahlteiler25 beam splitters
26 Pinholes26 pinholes
27 Emissionsfilter27 emission filter
28 Auswerteschaltung28 evaluation circuit
29 Steuereinheit29 control unit
30 Strahlteiler30 beam splitter
31 Optoelektronischer Empfänger31 Optoelectronic receiver
32 Linienfilter32 line filters
33 Neutralfilter33 neutral filter
Vx1L-R Hin-Abtastgeschwindigkeit vχ,R-L Rück- Abtastgeschwindigkeit φ AuslenkwinkelVx 1L-R Hin scanning speed vχ, R- L Reverse scanning speed φ deflection angle
X,Y Auslenkung, AbtastachsenX, Y deflection, scanning axes
Δt Zeitschrittweite δr Räumliche SchrittweiteΔt time increment δr Spatial increment
Tp PixelzeitTp pixel time
ROI Interessierender Bereich i Nummer des interessierenden BereichsROI Interesting area i Number of the area of interest
G, Gj KorrelationG, Gj correlation
F ModellfunktionF model function
D Diffusionskonstante D diffusion constant

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Konfiguration eines Laser-Scanning-Mikroskops für eine Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:A method of configuring a laser scanning microscope for a raster image correlation spectroscopy measurement, comprising the steps of:
- Ermitteln eines Bestwerts für einen Abtastparameter undDetermining a best value for a sampling parameter and
- Vorgeben des Bestwerts für einen späteren Abtastvorgang an einer Probe (16).- Specifying the best value for a later scan on a sample (16).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Abtastparameter eine oder mehrere der folgenden Größen verwendet wird: räumliche Schrittweite, Abtastgeschwindigkeit (vχ)5 Pixelzeit (τp), Linienzeit, Abtastwertaufnahmefrequenz.2. The method of claim 1, wherein one or more of the following quantities is used as the sampling parameter: spatial step size, sampling rate (vχ), 5 pixel time (τp), line time, sampling rate.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Bestwert der räumlichen Schrittweite anhand einer Breite einer Punktübertragungsfunktion des Laser-Scanning-Mikroskops so ermittelt wird, dass die räumliche Schrittweite signifikant kleiner ist als die Breite der Punktübertragungsfunktion.3. The method of claim 2, wherein the best value of the spatial step size is determined based on a width of a point transfer function of the laser scanning microscope so that the spatial step size is significantly smaller than the width of the point transfer function.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Bestwert der räumlichen Schrittweite anhand mindestens eines Objektivparameters und einer beim späteren Abtasten zu verwendenden Lichtwellenlänge ermittelt wird.4. The method of claim 2 or 3, wherein the best value of the spatial step size is determined based on at least one lens parameter and a light wavelength to be used in later scanning.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bestwert ermittelt wird, indem mehrere Versuchsabtastungen der später abzutastenden Probe (16) mit jeweils unterschiedlichem Versuchswert für den Abtastparameter durchgeführt werden.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the best value is determined by a plurality of experimental scans of the sample later to be scanned (16) are performed, each with a different experimental value for the scanning parameter.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Bestwert bestimmt wird, indem aus den Abtastwerten der Versuchsabtastungen ein Minimum eines Fehlers einer eine Dynamik eines Probenvorgangs charakterisierenden Größe ermittelt wird.6. The method of claim 5, wherein the best value is determined by determining from the samples of the trial scans a minimum of an error of a variable characterizing a dynamics of a sample event.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als eine die Dynamik charakterisierende Größe eine Diffusionskonstante verwendet wird. The method of claim 6, wherein a diffusion constant is used as a variable characterizing the dynamics.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Bestwert bestimmt wird, indem aus den Abtastwerten der Versuchsabtastungen ein Maximum einer Breite einer Korrelation (G) einer Versuchsabtastung ermittelt wird.8. The method according to claim 5, wherein the best value is determined by determining a maximum of a width of a correlation (G) of a test scan from the samples of the test scans.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei in den Versuchsabtastungen die Probe bidirektional mit in Hin- und Rückrichtung unterschiedlichem Versuchswert des zu optimierenden Parameters abgetastet wird.9. The method according to any one of claims 5 to 8, wherein in the test scans the sample is bi-directionally scanned with in the outward and return direction different experimental value of the parameter to be optimized.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Abtastung in Hin- und Rückrichtung innerhalb derselben Abtastzeile erfolgt.10. The method of claim 9, wherein the scanning in the forward and backward direction is within the same scan line.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zur Variation der Anzahl der Abtastwerte mehrere der Abtastwerte zusammengefasst oder ausgelassen werden.11. The method of claim 10, wherein to vary the number of samples, a plurality of the samples are combined or omitted.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung des Bestwerts eine Simulation eines Transportvorgangs in der Probe (16) und/oder eine virtuelle Versuchsabtastung durchgeführt werden.12. The method according to any one of the preceding claims, wherein for determining the best value, a simulation of a transport process in the sample (16) and / or a virtual trial scan are performed.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Probe (16) real elektronisch überabgetastet wird und mindestens eine virtuelle Versuchsabtastung basierend auf der Überabtastung durchgeführt wird, indem die Anzahl der realen Abtastwerte für die virtuelle Versuchsabtastung rechnerisch variiert wird.The method of claim 12, wherein the sample (16) is real over-sampled electronically and at least one virtual trial scan based on the oversampling is performed by computationally varying the number of real samples for the virtual trial scan.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der abzutastende Probenbereich anhand von geometrischen Vorgaben eines Benutzers ermittelt wird.14. The method according to any one of the preceding claims, wherein the sample area to be scanned is determined based on geometric specifications of a user.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bestwert ausschließlich für den und ausschließlich anhand von Abtastwerten aus dem abzutastenden Probenbereich ermittelt wird.15. The method according to any one of the preceding claims, wherein the best value is determined exclusively for and exclusively on the basis of samples from the sample area to be scanned.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bestwert als Vorschlag ausgegeben und vor einem späteren Abtastvorgang eine Bestätigung eines Benutzers für den optimierten Wert ermittelt wird. 16. The method according to any one of the preceding claims, wherein the best value is output as a suggestion and before a later sampling an acknowledgment of a user for the optimized value is determined.
17. Verfahren zum Durchführen einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung an einer Probe (16), wobei Abtastwerte ausschließlich in einem Probenbereich aufgenommen werden, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit (Tp) längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert, insbesondere um 10 %, ändert.17. A method for performing a raster image correlation spectroscopy measurement on a sample (16), wherein samples are taken only in a sample area within which a pixel time (Tp) along a harmonic driven scan axis (X) by less than or at most by a predetermined or predetermined value , in particular by 10%, changes.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei Abtastwerte ausschließlich in mehreren Abtastbereichen ermittelt werden, innerhalb derer sich die Pixelzeit (τp) längs der harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) jeweils um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert.18. The method of claim 17, wherein samples are determined exclusively in a plurality of scan areas within which the pixel time (τp) along the harmonic scan axis (X) changes by less than or at most by a predetermined or specifiable value.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Probe (16) optisch und/oder elektronisch überabgetastet wird.19. The method according to claim 17 or 18, wherein the sample (16) is oversampled optically and / or electronically.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Abtastwerte mittels eines Laser-Scanning-Mikroskops aufgenommen werden.20. The method according to any one of claims 17 to 19, wherein the samples are recorded by means of a laser scanning microscope.
21. Verfahren zum Auswerten von Abtastwerten einer21. Method for Evaluating Samples of a
Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung einer Probe (16), wobei eine Korrelation (G) ausschließlich in einem Probenbereich ermittelt wird, innerhalb dessen sich eine Pixelzeit (τp) längs einer harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert, insbesondere um 10 %, ändert.Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung a sample (16), wherein a correlation (G) is determined exclusively in a sample area within which a pixel time (τp) along a harmonic driven scanning axis (X) by less than or at most by a predetermined or predetermined value, in particular 10%, changes.
22. Verfahren nach dem Anspruch 21, wobei separate Korrelationen (Gi) in mehreren Abtastbereichen ermittelt werden, innerhalb derer sich die Pixelzeit (τp) längs der harmonisch angesteuerten Abtastachse (X) jeweils um weniger als oder höchstens um einen vorgegebenen oder vorgebbaren Wert ändert.22. The method according to claim 21, wherein separate correlations (G i) are determined in a plurality of scanning regions, within which the pixel time (τ p) along the harmonic driven scanning axis (X) changes by less than or at most by a predetermined or predefinable value.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei für die Ermittlung der Korrelation (G) die Anzahl der Abtastwerte durch Zusammenfassen oder Auslassen verändert wird.23. The method of claim 21 or 22, wherein for the determination of the correlation (G), the number of samples is changed by combining or omitting.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Korrelation (G) mittels einer Steuereinheit (29) eines Laser-Scanning-Mikroskops aus Abtastwerten einer Rasterbildkorrelationsspektroskopiemessung ermittelt werden. 24. The method according to any one of claims 21 to 23, wherein the correlation (G) by means of a control unit (29) of a laser scanning microscope are determined from samples of a raster image correlation spectroscopy measurement.
25. Steuereinheit (29) für ein Laser-Scanning-Mikroskop, die programmtechnisch zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 23 eingerichtet ist.25. Control unit (29) for a laser scanning microscope, which is set up by the program to carry out a method according to one of claims 1 to 23.
26. Laser-Scanning-Mikroskop mit einer Steuereinheit (29) nach Anspruch 25.26. Laser scanning microscope with a control unit (29) according to claim 25.
27. Computerprogramm, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 24. 27. Computer program, set up for carrying out a method according to one of claims 1 to 24.
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